Поверхностные фонон-поляритоны могут отводить тепло от наноструктурированных устройств

Поверхностные фонон-поляритоны могут отводить тепло от наноструктурированных устройств

Продолжающийся прогресс в миниатюризации кремниевых микроэлектронных и фотонных устройств приводит к тому, что охлаждение структур устройств становится все более сложной задачей.

В обычном переносе тепла в объемных материалах преобладают акустические фононы, которые представляют собой квазичастицы, которые представляют колебания решетки материала, подобно тому, как фотоны представляют световые волны. К сожалению, этот тип охлаждения достигает своих пределов в этих крошечных структурах.

Однако поверхностные эффекты становятся доминирующими по мере того, как материалы в наноструктурированных устройствах становятся тоньше, а это означает, что поверхностные волны могут обеспечить необходимое решение для переноса тепла. Поверхностные фонон-поляритоны (SPhP) – гибридные волны, состоящие из поверхностных электромагнитных волн и оптических фононов, распространяющихся по поверхности диэлектрических мембран, – показали особые перспективы, и группа ученых, возглавляемая исследователями из Института промышленных наук Токийского университета. теперь продемонстрировали и подтвердили увеличение теплопроводности, обеспечиваемое этими волнами.

«Мы создали SPhP на мембранах из нитрида кремния разной толщины и измерили теплопроводность этих мембран в широком диапазоне температур», говорит ведущий автор исследования Юньхуи Ву. «Это позволило нам установить конкретный вклад SPhP в улучшенную теплопроводность, наблюдаемую в более тонких мембранах».

Команда заметила, что теплопроводность мембран толщиной 50 нм или менее фактически удваивается при повышении температуры с 300 К до 800 К (примерно с 27 ° C до 527 ° C). Напротив, проводимость мембраны толщиной 200 нм уменьшалась в том же диапазоне температур, потому что акустические фононы все еще преобладали при этой толщине.

«Измерения показали, что диэлектрическая функция нитрида кремния не претерпела значительных изменений в экспериментальном диапазоне температур, что означало, что наблюдаемое тепловое усиление может быть связано с действием SPhP», поясняет Институт из Industrial Science Масахиро Номура, старший автор исследования. «Длина распространения SPhP вдоль границы раздела мембран увеличивается при уменьшении толщины мембраны, что позволяет SPhP проводить гораздо больше тепловой энергии, чем акустические фононы при использовании этих очень тонких мембран».

Новый канал охлаждения, обеспечиваемый SPhP, таким образом, может компенсировать пониженную фононную теплопроводность, которая возникает в наноструктурированных материалах. Таким образом, ожидается, что СФП найдут применение в управлении температурой кремниевых микроэлектронных и фотонных устройств.

Статья «Повышенная теплопроводность поверхностными фонон-поляритонами» была опубликована в Science Advances по адресу DOI: 10.1126 / sciadv.abb4461.

Источник: https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/en/

Source link